煤礦采空區(qū)對輸電線路塔基穩(wěn)定性的影響

柳劍鋒

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究，北京 100094)

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煤礦采空區(qū)對輸電線路塔基穩(wěn)定性的影響

柳劍鋒

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究，北京 100094)

摘要：在煤礦采空區(qū)架設(shè)輸電線路存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，如何正確客觀評價(jià)其影響，直接影響線路安全和投資造價(jià)，本文從煤礦采空區(qū)的破壞機(jī)理入手，通過采用采厚比法、采空區(qū)臨界深度與實(shí)際采深比較法和概率積分計(jì)算法，對某輸電線路經(jīng)過的采空區(qū)和未來采空區(qū)桿塔進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，經(jīng)運(yùn)行驗(yàn)證，評價(jià)結(jié)果較好，可以借鑒。

關(guān)鍵詞：輸電線路；采空區(qū)；破壞機(jī)理；穩(wěn)定性。

近年我國加快了以特高壓為骨干電網(wǎng)的建設(shè)步伐，線路沿線規(guī)劃區(qū)、工業(yè)區(qū)等逐步的增多，可選的路徑走廊越來越少，特高壓輸電線路工程不可避免的要穿越煤礦采空區(qū)，其塔基穩(wěn)定性對整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的安全性影響較大，另一方面，采取避讓或處理又會(huì)大大提高投資造價(jià)，因此，正確客觀評價(jià)煤礦采空區(qū)的塔基穩(wěn)定性顯得尤為重要。

1 破壞機(jī)理及影響

1.1 采空區(qū)的破壞機(jī)理

地下煤層被開采以后，上部巖石失去支撐，會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破裂，以致發(fā)展到地表，造成地表塌陷，形成凹地，隨著采空區(qū)的不斷擴(kuò)大，凹陷地段不斷發(fā)展而形成凹陷盆地，即地表移動(dòng)盆地。根據(jù)形成的移動(dòng)盆地的特點(diǎn)和不同，在采空區(qū)的正上方(凹陷盆地的中心)，地表下沉均勻，下沉值最大，地面平坦，凹陷盆地邊緣變形不均勻，下沉值較小，傾斜值大。采空區(qū)的上方，頂板巖層垮落在采空區(qū)內(nèi)，充填采空區(qū)的這部分巖層叫垮落帶或冒落帶(見圖1)，冒落帶內(nèi)巖層被破壞呈不規(guī)則形狀，除了極堅(jiān)硬的巖層頂板會(huì)發(fā)生整體垮落外，一般巖層頂板垮落的巖塊都是雜亂無章、大小不等的，沿礦層頂板向上，垮落的巖塊逐漸變大，近似呈層狀。

冒落帶之上的巖層由于受到冒落帶巖石的支撐而產(chǎn)生斷裂、裂縫和離層，但仍保持原有層狀結(jié)構(gòu)，這部分巖層叫破碎帶或裂縫帶，破碎帶內(nèi)的巖層發(fā)生垂直于礦層方向的斷開或裂縫，整體保持著原有巖層的層次，破碎帶的下部裂縫最為發(fā)育，向上則逐漸減弱。

采空區(qū)上方巖層中只產(chǎn)生彎曲沉降，并未破裂的這部分巖層稱為彎曲帶，它在破裂帶之上可直達(dá)地表。彎曲帶內(nèi)巖層是整體移動(dòng)，巖層內(nèi)不產(chǎn)生大的裂縫，彎曲帶內(nèi)的巖層仍為層狀結(jié)構(gòu)，移動(dòng)過程不但連續(xù)并有規(guī)律，而且是慢慢出現(xiàn)的，地表不產(chǎn)生劇烈變形。

圖1　采空區(qū)破壞機(jī)理示意圖

1.2 采空區(qū)活動(dòng)分期

從地表移動(dòng)開始到地表移動(dòng)結(jié)束，分為地表移動(dòng)初始期、活躍期和衰退期三個(gè)階段。在實(shí)際工作中，把地表下沉10 mm時(shí)作為地表移動(dòng)期的開始；把地表下沉速度大于50 mm/月(煤層傾角小于45°)或大于30 mm/月(煤層傾角大于等于45°)的時(shí)間稱為地表移動(dòng)活躍期；如果連續(xù)6個(gè)月地表下沉值累計(jì)不超過30 mm時(shí)，可認(rèn)為地表移動(dòng)基本結(jié)束，從地表移動(dòng)活躍期結(jié)束到地表移動(dòng)期結(jié)束的階段稱為地表移動(dòng)衰退期。地表移動(dòng)的初始期一般有1～3個(gè)月，活躍期有5～10個(gè)月，衰退期有16～20個(gè)月，地表移動(dòng)總的延續(xù)時(shí)間有24～48個(gè)月，開采的深度越大，地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間越長。

地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間(T )可根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)中的公式計(jì)算：

式中：H0為工作面平均采深(m)。

1.3 采空區(qū)對輸電線路的影響

采空區(qū)的變形主要為下沉、傾斜、水平移動(dòng)、曲率、水平變形、彎曲變形、剪切變形等。地表下沉?xí)饤U塔基礎(chǔ)的垂直沉降，會(huì)導(dǎo)致線路交叉跨越的凈空距離或?qū)Φ鼐嚯x不夠，或因?yàn)椴煽諈^(qū)地面下沉引起塌陷區(qū)積水，使線路的運(yùn)行環(huán)境惡化。采空區(qū)地面傾斜、水平移動(dòng)等會(huì)使桿塔基礎(chǔ)傾斜及移動(dòng)，導(dǎo)致鐵塔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致鐵塔變形、傾斜，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致絕緣子串傾斜，導(dǎo)地線斷股，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致倒塔、斷線事故的產(chǎn)生。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某輸電線路是我國西電東送的重要基礎(chǔ)電力設(shè)施，該線路總體東西走向，在三省交界部位存在近南北方向的一個(gè)大煤田，該煤田分布在四川的敘永、古藺和貴州的習(xí)水縣3個(gè)縣，如采取避讓的方式通過煤田，則線路需增加幾百公里的長度，投資巨大，不可行，因此，線路不可避免的需穿越煤礦采空區(qū)，線路共有4基塔穿越煤礦區(qū)，其中1基(N0418)位于采空區(qū)內(nèi)，3基(N0415～N0417)位于未來采空區(qū)，詳見圖2，塔基與煤礦的位置關(guān)系圖。

該煤礦可開采煤層共2層，C8煤層平均厚度2.2 m，埋深370～700 m，C12煤層平均厚度2.1 m，埋深390～720 m，分層開采，煤層傾角23°，長臂式采煤法，全部垮落法管理頂板，礦區(qū)內(nèi)無常年性河流，塔位處基巖裸露，最高海拔高度1070 m。 N0418塔位處煤層工作面開采時(shí)間為2010～2011年，工作面寬度100 m。線路勘測時(shí)間為2011年，采空區(qū)已沉降1年左右，且為分層開采，因此地表塌陷處于活躍期的的末端，地層巖性為砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r為主，存在少量泥巖，巖層性質(zhì)為中硬巖。

圖2　塔基與煤礦的位置關(guān)系圖

2.2 采厚比分析法判定塔基的穩(wěn)定性

開采煤層的埋藏深度和煤層厚度之比稱為采厚比，采厚比與采空區(qū)可能引起的地表變形程度關(guān)系密切，一般情況是，采厚比越小，地表變形越強(qiáng)烈、影響越大。隨著采厚比的增大，采空區(qū)地表變形逐漸減弱，當(dāng)采厚比增大到一定值時(shí)，地表不會(huì)發(fā)生劇烈變形。

根據(jù)實(shí)測資料和經(jīng)驗(yàn)積累，當(dāng)開采煤層采厚比小于30時(shí)，地表變形劇烈，一般不滿足輸電線路塔基穩(wěn)定性要求；當(dāng)采厚比處于30～70之間，且頂板基巖堅(jiān)硬時(shí)，或當(dāng)采厚比處于70～100之間，且位于基巖山區(qū)時(shí)，需采取主要的結(jié)構(gòu)措施；當(dāng)采厚比處于100～130之間時(shí)，可采取次要的結(jié)構(gòu)措施；當(dāng)采厚比大于130時(shí)，一般不采取結(jié)構(gòu)措施。

本工程N(yùn)0418塔位的采厚比為90，頂板巖性為砂巖和泥質(zhì)灰?guī)r，硬度中等，塔基位于基巖山區(qū)，采厚比處于70～100之間，因此，建議N0418塔位采取主要結(jié)構(gòu)措施，采用大板基礎(chǔ)并加長地腳螺栓；N0417塔位的采厚比為123、N0416塔位的采厚比為138、N0415塔位的采厚比為152，采厚比均大于100，尤其是N416和N0415的采厚比大于130，但開采工作面較大，建議采取次要結(jié)構(gòu)處理措施，加長地腳螺栓。

2.3 塔基穩(wěn)定性判定

采空區(qū)臨界深度與實(shí)際采深比較法判定各塔基的穩(wěn)定性。

煤層開采后，冒落帶的巖層破裂成塊狀，在裂縫帶靠近冒落帶的巖層，裂縫較大，形成導(dǎo)水裂縫帶，沿導(dǎo)水裂縫帶向上，巖層的裂隙逐漸變小，在彎曲帶，地表變破壞輕微，一般不會(huì)發(fā)生劇烈變形，巖層基本呈整體下沉。

如塔基產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響深度內(nèi)，未遇到可以導(dǎo)水的較大裂縫帶巖層，則塔基所在的地面不會(huì)產(chǎn)生劇烈變形，在采用大板基礎(chǔ)及加長地腳螺栓的基礎(chǔ)處理后，可以保證塔基的安全。

冒落帶高度Hm、導(dǎo)水裂縫帶高度Hli、塔基附加應(yīng)力影響深度Zn、導(dǎo)水裂隙帶上部保護(hù)層厚度Hb(Hb取3～6倍的煤層厚度，頂板巖層硬度大，取小值，硬度小，取大值)，四者之和即為開采的臨界深度H臨。

當(dāng)H實(shí)際＞H臨時(shí)采空區(qū)相對穩(wěn)定，地面不會(huì)產(chǎn)生劇烈變形，在采用大板基礎(chǔ)及加長地腳螺栓的基礎(chǔ)處理后，可以保證塔基的安全。

當(dāng)H實(shí)際＜H臨時(shí)采空區(qū)地表變形強(qiáng)烈，不穩(wěn)定。

根據(jù)覆巖巖性，按《規(guī)程》附表6-1和附表6-2中的公式計(jì)算冒落帶高度Hm和導(dǎo)水裂縫帶高度Hli。

冒落帶高度計(jì)算公式：

本工程覆巖巖性為中硬巖，a取4.7、b取19、c取2.2, M為煤層綜合開采厚度4.3m。

導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式：

本工程覆巖巖性為中硬巖，A取1.6、B取3.6、C取5.6，M為煤層綜合開采厚度4.3 m。

塔基附加應(yīng)力深度根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.8節(jié)公式， Z=B(2.5－0.4lnB)，B為基礎(chǔ)寬度(m)。對于大板基礎(chǔ)，按附加應(yīng)力是自重應(yīng)力10%為附加應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)值，再加上基礎(chǔ)埋深即為附加應(yīng)力影響深度，經(jīng)估算，采用大板基礎(chǔ)時(shí)，其附加應(yīng)力影響深度比采用普通基礎(chǔ)淺，為安全起見，本文附加應(yīng)力影響深度Zn值采用普通基礎(chǔ)計(jì)算值。

式中：Z為附加應(yīng)力深度；h為基礎(chǔ)埋深。

導(dǎo)水裂縫帶上部保護(hù)層厚度Hb，取4倍采厚。

本工程各塔基根據(jù)臨界開采深度與實(shí)際采深比較法，判定各塔基穩(wěn)定性結(jié)果見 表1。

表1　臨界開采深度及實(shí)際采深比較法判定結(jié)果表

2.4 采空區(qū)塔基變形值計(jì)算

概率積分法是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)、用積分式表示地表下沉盆地的方法，適用于常規(guī)的地表移動(dòng)與變形計(jì)算，在我國應(yīng)用最多。

為考慮煤層傾角的影響，根據(jù)計(jì)算點(diǎn)的相對位置，將傾斜工作面轉(zhuǎn)換為一個(gè)等價(jià)的計(jì)算工作面進(jìn)行地表移動(dòng)與變形的計(jì)算，消除了傳統(tǒng)概率積分法對于傾斜煤層計(jì)算因計(jì)算過程中的某些簡化而帶來的誤差，同時(shí)采用了在開采區(qū)域邊界上的線積分，適應(yīng)于工作面的不同形狀。

地表移動(dòng)與變形計(jì)算所采用線積分計(jì)算公式根據(jù)《規(guī)程》摘抄如下：

(1)下沉

(2)傾斜

(3)水平變形

式中：m為采厚(mm)；η為下沉系數(shù)；α為煤層傾角(°)；b為水平移動(dòng)系數(shù)；Hd為等價(jià)開采影響深度(m)；tgβ為主要影響角正切；r為等價(jià)計(jì)算工作面的主要影響半徑，r =Hd/tgβ；Li為等價(jià)計(jì)算工作面各邊界的直線段(m)；θ0為開采影響傳播角。

本工程各個(gè)計(jì)算參數(shù)如下，η=0.72 (N0415～N0417)，η=0.30(N0418)；水平移動(dòng)系數(shù)：b=0.34；主要影響角正切：tgβ=2.1；拐點(diǎn)移動(dòng)距：S=0.1H。

采用中國礦業(yè)大學(xué)開采沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)msps2009軟件，計(jì)算各個(gè)塔基的變形值，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　塔基變形值

根據(jù)《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，以及《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，普通基礎(chǔ)的輸電線桿塔可承受的地基傾斜極限值為5‰(5 mm/m)。

根據(jù)《規(guī)程》中有關(guān)規(guī)定：索道在整體鋼筋混凝土基礎(chǔ)上的支座水平變形極限值為7.0 mm/m，而高壓線桿塔大板基礎(chǔ)在受力、結(jié)構(gòu)等方面于此相近，因此參考該值并考慮一定安全系數(shù)，取大板基礎(chǔ)水平變形極限值為6.0 mm/m。

根據(jù)概率積分法計(jì)算的各個(gè)變形值，只要滿足地基傾斜極限值小于5‰(5 mm/m)且基礎(chǔ)水平變形極限值小于6.0 mm/m，同時(shí)考慮基礎(chǔ)的垂直下沉值，交叉跨越點(diǎn)及對地距離留有2～3倍下沉值，滿足以上3點(diǎn)，采空區(qū)內(nèi)塔基不需采取結(jié)構(gòu)措施，否則需采取結(jié)構(gòu)處理措施。

根據(jù)概率積分法計(jì)算4個(gè)塔基的各個(gè)變形值，N0418、N0416、N0415不滿足地基傾斜極限值小于5‰(5 mm/m)的要求， N0417號塔的最大傾斜和最大水平變形值均不滿足最大地基傾斜極限值小于5‰(5 mm/m)和基礎(chǔ)水平變形極限值小于6.0 mm/m的要求，因此需采取結(jié)構(gòu)處理措施。

2.5 綜合分析采空區(qū)塔基穩(wěn)定性

采厚比法及臨界采深與實(shí)際采深比較法僅能判斷地表活動(dòng)強(qiáng)烈還是不強(qiáng)烈，采用概率分析法可以計(jì)算塔基的各個(gè)變形值，因此上述單一分析方法很難客觀的反映采空區(qū)的變形特征，本工程采用上述三種方法相結(jié)合綜合分析某輸電工程采空區(qū)輸電線路塔基的穩(wěn)定性，推薦采取的地基處理措施如下。

N0418的采厚比相對較小，但已經(jīng)開采約1年，已經(jīng)處于地表移動(dòng)活躍期的末端，實(shí)際采深比臨界深度大，地表傾斜變形不滿足規(guī)范要求，建議N0418需采取主要結(jié)構(gòu)處理措施，采用大板基礎(chǔ)并加長地腳螺栓，在設(shè)計(jì)塔高時(shí)，考慮因塔基的沉降，導(dǎo)致導(dǎo)線的對地距離減少。

N0415～N0417號塔，采厚比較大，實(shí)際采深比臨界深度大但變形不滿足規(guī)范要求，因此建議采取次要結(jié)構(gòu)處理措施(加長地腳螺栓)，在設(shè)計(jì)塔高時(shí)，考慮因塔基的沉降，導(dǎo)致導(dǎo)線的對地距離減少。

3 結(jié)論

(1)在分析采空區(qū)的破壞機(jī)理及對輸電線路的影響基礎(chǔ)上，以某工程為例，提出了上述三種分析方法相結(jié)合的綜合判定采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法。

(2)采用綜合判定采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法，分析了某工程中位于采空區(qū)N0418、未來采空區(qū)N0415～N0417塔的穩(wěn)定性，認(rèn)為在該采空區(qū)內(nèi)立塔是安全的，不會(huì)對塔基的安全運(yùn)行造成影響，推薦了需采取的處理措施。線路通過了煤礦采空區(qū)，避免了線路繞行古敘煤田，縮短了線路路徑，節(jié)約了巨額投資。

(3)通過案例分析，此綜合分析方法不僅對本工程由實(shí)際意義，而且對其他采空區(qū)的線路工程同樣具有借鑒意義。

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Effect on the Stability of Transmission Line Tower in Goaf of Coal Mine

LIU Jian-feng
(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100094, China)

Abstract:in the coal mining area the erection of transmission lines exist great risk, how to correctly and objectively evaluate its impact, directly affect the line security and investment cost, this article from the start with the failure mechanism of coal mining area, thickness ratio method, the critical depth of mining empty area and the actual mining depth comparison method and probability integral calculation by using the method of mining in a transmission line, through the mining area and the future mine tower goaf stability is analyzed, the runtime verification, evaluation results are good, can learn from.

Key words:transmission line; goaf; failure mechanism of; stability.

作者簡介：柳劍鋒(1976- )，男，河北衡水人，工程師，注冊巖土工程師，主要從事電力工程的巖土工程勘察工作。

* 收稿日期：2015-03-06

中圖分類號：P642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-9913(2015)06-0022-05